基于ANSYS的帶式輸送機滾筒改進設計

張銘洋

（鄭煤集團（河南）白坪煤業有限公司，河南 登封 452470）

滾筒作為帶式輸送機的重要傳動部件、主要的受力部件，工作時主要起到傳動、改向的作用。由于其在系統中的重要性，滾筒也成為了影響整機系統和操作人員人身安全的重要因素。滾筒在運行時承受法向載荷與切向載荷，且載荷在軸向和周向隨時間變化，因此很難對滾筒進行數值方法上的模擬，也無法研究滾筒的失效機理和確定滾筒的設計準則，只能通過增大設計余量，在沒有理論支撐的情況下提高安全系數，以此保證滾筒的安全性。但這也使得滾筒的重量增大，能耗增加，可靠性卻沒有得到明顯的提高。

由于數值方法上難以模擬，企業或研究機構通常借助先進的有限元法對滾筒進行強度、剛度、模態等指標上的分析。但目前國內對滾筒的有限元分析還停留在對單一零部件的分析，優化設計單一零部件的某些參數，如長度、厚度等，考察單一參數對滾筒性能的影響。這樣做存在的問題是需要進行大量參數對滾筒性能影響的分析和校核過程，造成研發設計進度緩慢、浪費資源的問題。針對這個問題，建立了滾筒的靜強度分析流程，基于Ansys Workbench中的Design Exploration模塊，模塊根據靜力學分析結果自動生成變量參數組合，并判斷參數對于優化設計目標的敏感程度，選取最為敏感的變量進行滾筒的優化設計。

1 滾筒靜力學分析

針對滾筒安全因素過高的問題，提出以滾筒質量為設計目標，由于安裝位置和安裝空間無法變化，因此滾筒質量基本由各零部件的厚度所決定。在對滾筒進行優化設計之前，需首先對滾筒進行靜力學分析，靜力學分析的目的在于：（1）找到滾筒受力后最大應力出現位置，掌握滾筒基本的應力、變形等情況；（2）建立參數化模型，為滾筒的后續優化設計提供計算基礎。通過強度分析結果判斷對滾筒應力影響最大或最為敏感的參數組合。根據參數敏感度進行滾筒的優化設計。

1.1 建立滾筒三維模型

結合滾筒的實際結構尺寸，選用直徑為1250mm、帶寬為2200mm的滾筒作為研究對象，基于SOLIDWORKS建立滾筒的三維模型。同時，為提高仿真結果的準確性，將滾筒中的圓角、倒角、圓孔等非關鍵特征進行了模型簡化，保留了滾筒的關鍵特征，建立了經簡化的滾筒三維模型，如圖1所示。

圖1 滾筒三維模型

1.2 材料屬性及單元選擇

結合滾筒的實際材料特點，將滾筒的材料屬性設置為Q235材料。其材料的主要屬性參數如表1所示。

表1 滾筒材料屬性設置

正確的選擇單元類型是有限元分析的基礎，考慮到滾筒受法向載荷及切向載荷，因此選擇solid185三維實體單元用于滾筒的實體部分，選擇shell181單元用于等截面輻板和筒皮這種等截面的板狀構件。

1.3 網格劃分及受力加載

基于ANSYS Workbench中的掃略網格劃分，設置單元尺寸為3mm，網格劃分共計45683個節點，53672個單元。網格劃分如圖2所示。

圖2 滾筒網格劃分

滾筒承受輸送帶張力、傳動端的扭矩及自身重力。傳送帶張力轉化為法向載荷Pθ和切向摩擦力fθ作用于傳動帶與滾筒的接觸面上，且在傳送帶與滾筒的包圍角內符合歐拉公式的變化規律。兩種載荷大小為：

式中：

S-滾筒與皮帶分離點處的張力，N；

μ-摩擦系數；

B-傳送帶帶寬，mm；

D-傳動帶厚度，mm。

經計算S=71000N，μ=0.35。

1.4 滾筒靜強度分析結果

采用第四強度理論對滾筒的靜強度進行評價，滾筒等效應力云圖如圖3所示。

圖3 滾筒等效應力云圖

從圖3可以看出，滾筒在法向與切向載荷作用下，最大應力為38.93MPa，出現在滾筒轉軸的兩端，結果與理論分析結果相符。應力值遠小于材料屈服應力值235MPa，安全因素為6，遠超工程需要，因此有必要進行滾筒在質量上的優化分析。

2 優化設計流程

滾筒在質量上的優化設計，本質上是個多目標和多變量的問題，既要受到強度條件的限制，也要滿足質量最小的目標，同時變量存在一個變化范圍，多變量的情況下就存在很多種變量參數組合。優化設計目的就是要在其中找到滿足條件的最優變量參數組合，Ansys Workbench提供了強大的優化設計工具Design Exploration，工具能夠自動設計參數變化組合并判斷哪個參數對于優化設計目標最為敏感，因而可以快速地找到優化參數組合，減少不必要的迭代計算次數。基于Design Exploration的優化設計流程如圖4所示。

優化設計流程分成2個部分依次進行：

（1）基于Ansys Workbench建立參數化模型，設置優化參數變化范圍；

（2）基于Design Exploration，設計參數變化組合，根據前述靜力學分析結果判斷各個參數對優化設計目標的敏感程度，最后找到最優變量組合并校核優化結果。

圖4 Design Exploration優化設計流程

3 滾筒優化設計

3.1 設置優化變量及其變化范圍

滾筒參數化建模可以看出其質量主要由筒皮和輻板厚度、軸座半徑所決定，因此將這三個參數設置為優化變量。設置優化變量的初始值分別為：筒皮厚度t為23mm，輻板厚度t1為40mm，軸座半徑r為285mm。給出優化設計變量的變化范圍如表2所示。根據計算優化前滾筒質量為3392.8kg。

表2 滾筒優化參量設置及參數范圍

3.2 變量組合設計及敏感度分析

調入Design Exploration模塊中的Goal Driven Optimization工具，設置參數變化范圍并由工具自動生成參數組合及對應的應力、變形值。模塊根據前述靜力學分析結果，判斷參數對質量和等效應力的敏感度，可知等效應力、質量和總體變形都對輻板厚度t1較為敏感，由此Design Exploration找到最優參數組合（即t=18，t1=29，d=590），根據參數組合參數化建立滾筒模型，并根據靜力學分析流程得到分析結果。如圖5所示。

圖5 滾筒優化設計后的應力分析結果

優化設計后的滾筒應力最大值同樣出現在滾動軸兩端，最大值為60.41MPa，質量為2893.2kg。從優化前后的分析結果可以看出：優化前滾筒質量為3392.8kg，最大應力為38.93MPa；優化后滾筒質量為2893.2kg，最大應力為60.41MPa。優化后滾動轉軸兩端的應力升高，但依然遠小于材料屈服強度235MPa，與此同時滾筒質量降低499.6kg，降幅14.73%。

4 優化后滾筒應用效果分析

優化后的滾筒具有更高的結構強度和使用性能，將其在DSJ65/20型帶式輸送機上進行了為期半年的現場應用測試。經現場應用，與其他同類型滾筒相比，該滾筒在半年內的整體結構變形程度相對較小，且滾筒兩端的軸幾乎未發生變形、斷裂等故障，而其他輸送機則出現了輕微的變形。據現場維修人員介紹，使用該滾筒后，帶式輸送機的故障率同期降低了20%，增加了企業的經濟收入，并得到了人員的一致認可。該研究為滾筒的進一步優化改進提供了重要思路。

5 結論

通過尋找變量最佳參數組合，對滾筒進行了減重的優化設計，取得了較好的輕量化設計效果。滾筒總計減重499.6kg，降幅達到14.73%，說明了方法的正確性和可行性。滾筒質量的大幅降低，有效減少了滾筒的生產制造成本和材料浪費。從應力遠小于屈服強度的角度來看，滾筒依然存在大幅減重的空間，需要去驗證其他參數對滾筒強度、剛度等性能的影響。文章基于Ansys Workbench及其Design Exploration模塊取得了可靠的優化結果，為滾筒設計準則的確定和安全因素的確定方法提供了思路，是解決滾筒設計安全因素過高、自重過大、能耗大的較好的方法。